基于EPT的储能系统软启动控制策略

王 强，郭 伟，杨 策

（三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002）

电子电力变压器EPT（electronic power transformer）作为一种新型智能变压器，除了具备传统变压器的变压、隔离和控制的功能外，还具有电能转换的功能，其多端口功能可以方便接入各种分布式电源、储能设备和负载。同时，EPT具备电能质量调节能力，能够改善电压闪变、谐波和电压三相不平衡等电能质量问题，满足用户对高质量电能的需求[1-2]。与传统变压器相比，EPT无法应对电压跌落或者中断的状况，该动态电能质量问题会严重影响用电设备安全和稳定运行，该问题可以通过加入储能系统ESS（energy storage system）来解决[3]。

传统的电池ESS是由1个双向变流器和控制单元构成，不能灵活控制能量供应。已有学者对系统拓扑及储能优化展开研究。在PET与ESS基础上，文献[4]提出了可以解决端口间功率解耦问题的拓扑结构，但是在功率合理分配的灵活控制方面上还存在不足。文献[5]提出了有源桥三端口变换器，实现桥臂开关的复用，提高功率密度，但储能单元只位于输出级，隔离变换器存在无功损耗，使储能单元效率降低，系统的动态响应速度较慢，只适用于低功率场合，灵活性较差。文献[6-7]针对ESS应用在EPT上已有一些成果，分别采用最优控制及自抗扰控制对ESS并网的能量进行调度和管理，提高了EPT供电可靠性。文献[8]利用主从控制实现了短路电流限流，解决了由于直流输电线路低阻抗带来的短路电流大的危害。文献[9]提出了多重化DC/DC变换器的拓扑结构，该结构可以提高电池组的端电压，从而进一步增大ESS并网容量，可以通过并联提升每个开关管承受的压降及最大电流，但是在串并联多个电池组时，端口之间的能量控制比较复杂，也容易引起电路之间环流。

本文采用的是含多端口DC/DC变换器MPC（multi-port DC/DC converter）-ESS拓扑结构的电池组[10]，这种结构方便电池组之间的并联接入，能够灵活控制电池组的充放电。目前多电池组MPCESS的研究多是针对负荷或者电网之间的功率转换[11]，变换器在直流母线电压侧的启动方面上研究不多。文献[10]在松弛端口处采用电压闭环控制方法来稳定直流母线电压。本文在文献[10]电压环反馈的基础上增设电流反馈内环，利用电流内环快速、及时的抗扰性来有效抑制负载扰动的影响，由于电流内环对系统特性的改造，系统稳定性得到加强，本文对文献[10]中软启动控制策略进行优化，同时将MPC-ESS软启动控制策略应用在EPT低压直流侧，分析该ESS在并入EPT低压直流侧时对电网瞬间的影响，利用各端口的软启动方式及相关控制策略，使各端口稳定、灵活切入电网。经过仿真，验证了多电池组MPC-ESS软启动方式下在EPT低压直流侧应用的有效性，为EPT更稳定地向负载供电提供了新方案。

1 系统结构及工作原理

1.1 EPT拓扑结构

图1为带有ESS的一种典型的AC/DC/AC型3阶EPT结构，该结构的两个主要部分为EPT和ESS。输入级、隔离级及输出级是EPT结构的主要部分。其中，输入级是三相高频电压型整流器，作用是将交流电压整流为直流电压进而给隔离级供电；隔离级的原边由与输入级联接的全桥逆变器和1个单绕组组成，副边由3个绕组的高频变压器和3个H型单相全桥整流器组成，主要是充当电压等级变换和隔离的作用[12]；输出级是由3个单相电压源逆变器组成，输出端为YN型，能满足负载的不平衡及大功率负载的需求[13]。已有学者对10 kV/400 V、500 kV·A的EPT进行研究，用独立直流电压平衡控制器来保持直流电压的平衡[14]。

图1 带有ESS的EPT结构Fig.1 Structure of EPT with ESS

ESS采用含多电池组的MPC拓扑结构，能够实现多组电池的并联接入和灵活的充放电控制。该系统通过DC/DC变换器连接到EPT的低压直流侧，通过EPT输出级的逆变器向负载进行供电。ESS采用直流侧连接方式，不存在电压同步问题，系统结构简单[15]。

1.2 电池组拓扑结构

图2为MPC-ESS的拓扑结构。这种结构是由多组电池组和多个Buck/Boost双向DC/DC变换器并联而成。

图2 多电池组MPC系统结构Fig.2 Structure of MPC system with multiple battery packs

图2中，SW(n)为切合开关，对要启动的电池组进行投切；K(n)为保护直流断路器；RS(n)为启动电阻，作用是在端口启动瞬间减小突增的冲击电流；Li(n)为滤波电感；iL(n)为流过滤波电感的电流；Cdc为滤波电容；Udc为滤波电容两端电压；Ubess(n)为电池组端口电压。

MPC-ESS并联在EPT低压直流侧，滤波电容起稳定电压的作用，并联在母线两端的电压为低压侧直流母线电压。当原边电源侧电压出现波动或者中断时，ESS可以通过DC/DC变换器进行功率的输出或吸收，从而保证母线电压的稳定。多端口之间能量如何实现灵活控制是一个研究方向，有学者采用状态估计方法来满足系统灵活调控的需求[16]。

2 各端口控制方法

ESS中1个端口由电池组和1个双向DC/DC变换器组成，每个端口的投入对系统都有暂态扰动。端口可分成1个松弛端口和多个功率端口，松弛端口是为了稳定直流母线电压、调节系统的能量不平衡，其控制方式是先进行电流闭环控制，然后进行电压外环及电流内环的双闭环控制；功率端口可以通过电流参数来控制吸收和释放恒定的功率，其控制方式是电流闭环控制。

在MPC-ESS中，电池组和输电侧之间实时进行能量传递，本文采用互补的脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）控制方式。对松弛端口的控制策略进行分析，其控制策略如图3（a）所示，其中Udc_ref为EPT低压直流侧电压参考值。电压误差经过PI调节后，其值与电感电流比较产生电流误差，再经过PI调节，最后经过限幅和PWM控制产生脉冲信号从而控制上下开关管导通状况。对功率端口的控制策略进行分析，其控制策略如图3（b）所示，其中Ibess_ref为电池组的参考电流值，Ibess为电池组的实际电流。电池组电流误差经过限幅后，经过PI调节后再限幅，然后通过PWM控制生成脉冲信号。

图3 各端口控制策略Fig.3 Control strategy for each port

3 各端口软启动方式及相关控制策略

由于DC/DC变换器投入瞬间会对整个系统产生暂态扰动，威胁系统的稳定运行，这对电压侧的输电质量有很大影响。因此，本文采用多电池组MPC-ESS各端口软启动方式，并联在EPT低压直流侧处，来提高系统的稳定运行。

3.1 松弛端口软启动

首先对松弛端口启动过程进行分析。在没有加启动电阻的情况下，启动瞬间开关管S1，S2是闭锁状态，等效电路如图4所示。

图4 双向Buck/Boost变换器等效电路Fig.4 Equivalent circuit of bi-directional Buck/Boost converter

由图4（a）可得

根据式（1）可得到Udc的方程，并对其进行拉普拉斯变换得

对式（3）进行反拉普拉斯变换得

式中，iN_max为冲击电流最大值。由式（5）可知，切合开关闭合瞬间会有冲击电流iN_max产生，会触发保护装置造成误启动。

为了防止系统的误动作以及减小启动瞬间对开关管的冲击，可以借助启动电阻进行软启动，等效电路如图4（b）所示。加入启动电阻后对其软启动过程进行分析。由图4（b）可得

对式（6）进行化简并拉普拉斯变换得

对式（7）的分母进行分析并求出2个实根为

对式（7）进行反拉普拉斯变换得

对式（9）求导可得极点t0=(lnx1-lnx2)/(x1-x2)，将t0、x1、x2代入，取极限x1→0、x2→-RS/Li可得

由式（10）可知，冲击电流与启动电阻有关。在无启动电阻情况下，对滤波电感电流iL进行反常积分可得

将式（8）和式（9）代入（11），考虑到开关管压降及非线性因素[17]，选取RS=50 Ω，Li=1 000 μH、Cdc=2 000 μF、Ubess=240 V。在MPC-ESS松弛端口的启动阶段，本文通过使用启动电阻RS，先采用电流闭环控制，之后再采用电压外环与电流内环的双闭环控制的空载软启动控制策略，来减小启动过程中的电压振荡。

松弛端口处的电池组软启动阶段控制流程如图5所示，其中Udc_ref为EPT低压直流侧电压参考值。首先，把投切开关SW闭合，保护直流断路器K处于关断状态，从而可以接入启动电阻，将该端口电池组投入运行；其次，当直流母线电压与电池组端口电压差值接近160 V时，闭合K将启动电阻断开，解锁上下开关管，开始以电流闭环模式给电容充电；然后再比较电容电压与EPT低压直流侧的电压，当两者相差约为20 V时，将电流闭环控制模式切换成电压外环与电流内环双闭环模式运行；最后并入EPT低压直流侧，参与整个系统的输出侧供电。

图5 松弛端口软启动控制流程Fig.5 Flow chart of soft-starting control at relaxation port

控制模式切换主要是PI控制环的切换。系统稳定运行时占空比突然变化会引起电流单方向的增大，造成系统波动。在进行控制模式切换时，将单电流环控制输出的占空比以及PI积分项的值作为电压及电流双闭环控制中电压环的输入，完成控制切换。

3.2 功率端口软启动

在松弛端口启动完成后，需要分析如何保证其他功率端口稳定启动。

设在1个控制周期内图2中上下开关管S1、S2的闭合时间分别为TS1和TS2。图6（a）为上开关管S1闭合时等效电路；图6（b）为下开关管S2闭合时等效电路。对于滤波电感Li，其电流变化量为

图6 不同开关状态下双向Buck/Boost变换器等效电路Fig.6 Equivalent circuit of bi-directional Buck/Boost converter in different switching states

式中，UL为电感Li两端的电压。

图7 不同D条件下启动时iL变化Fig.7 Changes iniLwhen starting up at different values of D

由式（13）可得初始占空比D为

4 仿真研究

为了验证软启动方式下多电池组MPC-ESS应用在EPT低压直流侧的有效性，在Matlab/Simulink环境下进行仿真实验，搭建如图1所示的仿真模型。在MPC-ESS并入EPT低压直流侧母线时，通过对负载波形进行仿真分析来验证所提控制策略的有效性。

4.1 仿真参数

设EPT容量为500 kV·A，额定电压等级为10 kV/380V，高压直流母线电压为15kV，低压直流母线电压为400V，高频变压器变比为37.5∶1，频率为1 000 Hz；采用3组相同的蓄电池，单个蓄电池额定电压为240V，容量为100 A·h；负载容量为500 kV·A。

4.2 软启动实验对比

4.2.1 松弛端口软启动对比

在未接启动电阻且直接启动的情况下，松弛端口的仿真结果如图8所示。在t0=0.50 s时投入松弛端口处的电池组，此时瞬间产生幅值为330 A左右的冲击电流，与式（5）得到的结论一致。由于ESS功率瞬间流入，低压侧直流母线端电压波动最大幅值为550 V。该冲击电流会导致ESS的保护装置误触发，直流母线电压的波动也会对负载端的供电质量产生影响。

图8 未接启动电阻直接启动时松弛端口的仿真结果Fig.8 Simulation results of the relaxation port when strating directly without connecting the starting resistance

图9为在软启动控制下松弛端口处的电池组的仿真结果。可见，投入启动电阻RS可承担部分压降，在启动瞬间后冲击电流降低到5 A以下；在t1时闭合保护断路器将启动电阻断开，电流与电压有轻微振荡；在t2时启动上下开关管，功率端口以电流闭环来缓慢提升Udc；在t3时切换为电压外环电流闭环工作模式，可以看出切换模式时波动不足以影响系统保护装置误触发。在滤波电容两端电压达到EPT低压侧电压参考值后就可以对松弛端口进行投入。从图9可以看出，该启动方法减小了端口投入的启动电流，也验证了松弛端口软启动方法的可行性。

图9 松弛端口软启动过程Fig.9 Process of soft start of relaxation port

4.2.2 功率端口软启动的对比

图10为当初始占空比D=0.7直接启动下功率端口的仿真结果。可以看出，t=6.00 s时将功率端口的电池组并入电网，并入瞬间产生幅值为190 A的冲击电流，同时引起低压侧母线电压波动为40 V，这种情况直接给电网带来振荡，无法正常启动。当采用式（14）计算得出的初始占空比时，软启动下功率端口的波形如图11所示。可以看出，在t=6.00 s功率端口并入瞬间，iL和Udc都没有出现大的波动，能稳定启动，验证了本文方法应用在EPT的有效性。

图10 直接启动下功率端口的仿真结果Fig.10 Simulation results under direct start of power port

图11 软启动下功率端口的波形Fig.11 Waveforms under soft start of power port

从图12可以看出，在未接启动电阻控制策略情况下，t=0.24 s时将ESS并入EPT低压直流侧瞬间，负载电压和负载电流有明显波动。而在使用软启动控制策略情况下，将ESS并入EPT低压直流侧瞬间，图13中负载电压和负载电流没有明显波动，电网可以保持稳定运行。在图12和图13中，u0为负载电压；i0为负载电流；ua、ub、uc分别为a相、b相和c相的相电压；ia、ib、ic分别为a相、b相和c相的相电流。

图12 ESS直接投入波形Fig.12 Waveforms with direct input of ESS

图13 ESS软启动投入波形Fig.13 Waveforms with input of ESS under soft-starting

4.3 电压跌落仿真

图14为未采用ESS情况下电压跌落仿真结果，其中ui为输入侧端电压，Udc2为EPT低压侧直流母线电压。在t=0.15 s时输入级的电网出现电压跌落到额定值的40%的现象。从图14（b）可以看出，EPT直流低压侧电压快速降低，无法为输出级的负载提供稳定电压，输出级的电压、电流都有较大波动，对负载供电质量有较大影响。可见，EPT低压侧在未接ESS的情况下，输入级的电网出现电压跌落时，输出电压无法保持稳定。

图14 未接ESS情况下电压跌落仿真结果Fig.14 Simulation results of voltage sag without ESS connection

在EPT低压直流侧加入了采用软启动方式的MPC-ESS，仿真结果如图15所示。可以看出，电网电压在t=0.15 s时突然跌落，由于有ESS接入，电池组双向直流变换器工作在升压模式下，可以维持低压直流母线电压稳定；在t=0.30 s时输入侧电压恢复正常，低压侧直流电压经过微小波动在t=0.32 s时恢复正常，EPT输出级的负载的电压、电流波形在整个过程中连续稳定，供电不受影响。

图15 采用软启动方式的MPC-ESS的情况下电压跌落补偿Fig.15 Voltage sag compensation in case of MPC-ESS with soft start mode

4.4 单端口与多端口对比

从图16可以看出，当系统在t=0.15 s出现电压跌落及在t=0.30 s电压恢复时，单端口及多端口的ESS都能有效地对EPT低压侧直流母线进行补偿，但是在补偿效果上两者有所不同。单端口ESS从t=0.15 s开始对突变进行补偿，直流电压波动的最低点为397.2 V，在t=0.30 s系统电压恢复正常后，直流电压波动的最高点为404.9 V；而多端口ESS在t=0.15 s时电压跌落，直流电压波动的最低点为399.2 V，在t=0.30 s系统电压恢复后，直流电压波动的最高点为401.5 V。对比分析可知，在出现系统电压跌落及电压恢复的情况下，多端口对低电压侧突变后的补偿超调更小，即EPT低压直流母线波形受到的影响更小，以此来体现多端口的优越性。

图16 单端口与多端口对比Fig.16 Comparison between single port and multiple ports

5 结语

本文采用了一种可接入多电池组的MPC-ESS，将该系统各端口的软启动方式及相关控制策略应用在EPT低压直流侧，提高了EPT的供电可靠性。在Matlab/Simulink环境下进行仿真分析，结果验证了多电池组软启动方式的MPC-ESS应用在EPT中的有效性，减小了ESS各端口在投入瞬间的冲击电流，并且采用多端口可使EPT在电网跌落时能更稳定地安全运行。本文方法为EPT-ESS的各端口灵活、稳定投切提供了新方案。